Experimente mit dem mobilen Experimentiergerät Neue Demonstrationsversuche mit und um den Magnettafelwagen

Transkript

1 Theodor Grofe Experimente mit dem mobilen Experimentiergerät Neue Demonstrationsversuche mit und um den Magnettafelwagen Vortrag am VCI-Nord; Tagung der Fachleiter, Fachberater und Fachdidaktiker Chemie in Walsrode Kontakt: 1

2 Theodor Grofe Der Mix macht s Medtech Weißwandtafeln magnetisches Stativsystem bei der Durchführung chemischer Experimente Vortrag am VCI-Nord; Tagung der Fachleiter, Fachberater und Fachdidaktiker Chemie in Walsrode Kontakt: th.grofe@t-online.de 2

3 Der Mix macht s Die Kombination von Medtech-Zubehör, üblichem Laborgerät, großen und kleinen Weißwandtafeln, einem fahrbaren Experimentierstand sowie magnetisch haftenden Federklammern und Halterungen eröffnet eine Fülle von Möglichkeiten und Varianten bei der Versuchsgestaltung: Schülerübungen und Demonstrationsversuche Labormaßstab und Halbmikromaßstab qualitative und quantitative Experimente offene und geschlossene Systeme 3

4 Der Mix macht s Vorteile von Medtech-Zubehör, z. B. Professionelles, ausgereiftes System Geringe Kosten Gefährdungsminimierung Realisierung geschlossener Systeme Geringe Chemikalienmengen Komplexe Versuchsaufbauten als SÜ möglich Vorteile des magnethaftenden Stativsystems, z. B. Flexibilität beim Aufbau Fokussierung auf das Wesentliche Ästhetik 4

5 Der Mix macht s Beispiele für Experimente: 1 Molare Masse und Molares Volumen 2 Rund ums Vakuum 3 Rund ums Flüssiggas 4 Halbmikrotechnik 5 Spritzen an Hahn(en)bänken und Kinetik 5

6 Der Mix macht s 1 Molare Masse und Molares Volumen 1.1 Reaktion von Magnesium und von Calcium mit Salzsäure 1.2 Reaktion von Calcium, Lithium und Natrium mit Wasser 1.3 quantitative Durchführung des Natriumtanzes auf Wasser 6

7 1 Molare Masse und Molares Volumen 1.1 Molare Masse von Mg Vorschlag aus dem Brand-Skript (7.31) 7

8 1.1 Reaktion von Magnesium mit Salzsäure Variante mit zwei Spritzen 8

9 1.1 Reaktion von Calcium mit Salzsäure Variante mit zwei Spritzen 9

10 1.2 Reaktion von Calcium mit Wasser Variante mit zwei Spritzen - Aufbau 10

11 1.2 Reaktion von Calcium mit Wasser Variante mit zwei Spritzen Start der Reaktion durch die Wasserzugabe 11

12 1.2 Reaktion von Calcium mit Wasser 40 ml Wasserstoff sind entstanden, das Calciumhydroxid hat sich abgesetzt 12

13 1.2 Reaktion von Calcium mit Wasser Knallgasprobe mit dem (neuen) Knalldöschen 13

14 1.2 Reaktion von Lithium mit Wasser Variante mit zwei Spritzen 14

15 1.2 Reaktion von Natrium mit Wasser Variante mit zwei Spritzen Knallgasprobe im Reagenzglas 15

16 1.3 Reaktion von Natrium mit Wasser Variante I quantitative Durchführung des Natriumtanzes (vor der Kamera) 16

17 1.3 Natriumtanz auf Wasser Variante I Das Natrium liegt auf einem Stückchen Pappe, Abwurf durch Schütteln 17

18 1.3 Natriumtanz auf Wasser Variante II Zugabe des Natriums mit Hilfe von zwei Magneten 18

19 1.3 Natriumtanz auf Wasser Variante II Zugabe des Natriums mit Hilfe von zwei Magneten 19

20 1.3 Natriumtanz auf Wasser Variante II Zugabe des Natriums mit Hilfe von zwei Magneten 20

21 1.3 Natriumtanz auf Wasser Variante II Zugabe des Natriums mit Hilfe von zwei Magneten 21

22 1.3 Natriumtanz auf Wasser Variante II Zugabe des Natriums mit Hilfe von zwei Magneten Ende der Reaktion 22

23 1.3 Natriumtanz auf Wasser Variante III Zugabe des Natriums mit Hilfe eines Zweischenkelrohrs Foto fehlt noch 23

24 Der Mix macht s 2 Rund ums Vakuum 2.1 Bestimmung der Dichte und der Molekülmasse von Gasen 2.2 Demonstration und Qualitätstest 2.3 Sieden von Wasser bei Unterdruck 2.4 Sprudelbrunnen mit Mineralwasser 2.5 Ammoniak-Springbrunnen (Variante mit Hahenbank) 24

25 2) Rund ums Vakuum Beispiel: Bestimmung der Dichte und der Molekülmasse von Gasen 123 mg/100 ml: Dichte = 1,23 g/cm³; Molekülmasse = 29,5 u

26 2) Rund ums Vakuum 2.1) Demonstration und Qualitätstest Zwei Varianten: 2 verbundene Spritzen; 3 Spritzen an einer Hahnenbank 26

27 2) Rund ums Vakuum 2.2) Sieden von Wasser bei Unterdruck 27

28 Start der Messung: Das Sieden beginnt bereits bei 24 C und wird immer stärker

29 2.2 Sieden von Wasser bei Unterdruck Temperatur/Zeit-Diagramm

30 2) Rund ums Vakuum 2.3) Mineralwasser-Sprudelbrunnen Entzug von Kohlenstoffdioxid durch Unterdruck 30

31 2) Rund ums Vakuum 2.3) Mineralwasser-Sprudelbrunnen Entzug von Kohlenstoffdioxid durch Unterdruck 31

32 2) Rund ums Vakuum 2.3) Mineralwasser-Sprudelbrunnen Ergebnis nach Schritt 1 32

33 2) Rund ums Vakuum 2.3) Mineralwasser-Sprudelbrunnen Ergebnis nach Schritt 2 33

34 2) Rund ums Vakuum 2.3) Mineralwasser-Sprudelbrunnen Ergebnis nach Schritt 3 34

35 2) Rund ums Vakuum 2.3) Mineralwasser-Sprudelbrunnen Gleichgewichts-Verschiebung durch Druckerhöhung 35

36 2) Rund ums Vakuum 2.4) Ammoniak-Springbrunnen - das Vakuum entsteht durch die Reaktion fünf 20 ml-spritzen an 5er-Hahnbank

37 Der Mix macht s 3 Rund ums Flüssiggas quantitative Messungen mit einer Apparatur 3.1 Siedetemperaturen 3.2 Verdampfen Volumenänderung Druckaufbau 3.3 Verbrennen 3.4 Kühlschrank-Versuche Druckabhängigkeit der Temperatur 37

38 3) Rund ums Flüssiggas Collin, Lange, Flint; Feuerzeuggas flüssig oder gasförmig? Chemkon 16(3), (2009) Messungen in einer Apparatur 38

39 3) Rund ums Flüssiggas Messung in einer Apparatur Spritze mit Temperaturfühler, gesichertem Gummistopfen und Druckanschluss 39

40 3) Rund ums Flüssiggas Messung in einer Apparatur präparierte Spritzen oben: Dreiwegehahn an Mini-Adapter (m) in durchbohrtem Gummistopfen links: (D 21; ) rechts: (D 22; ) gesichert mit angeschraubter Karosseriescheibe M 12 unten: durchbohrter Kombistopfen (d = 1,5 mm) für Temperaturfühler 40

41 3) Rund ums Flüssiggas Messung in einer Apparatur Präparieren der Spritze: Dreiwegehahn Mini-Adapter (m) durchbohrter Gummistopfen (D 21; ) Karosseriescheibe M 12, 2-fach durchbohrt (3,2 mm) 2 Schrauben 10 x 3 mm, mit Muttern und U-Scheiben 41

42 3) Rund ums Flüssiggas Messung in einer Apparatur 3.1) Siedetemperaturen 42

43 Siedetemperaturen und Gaschromatogramme Probe 1: Stevenson Kp: - 5,5 C Probe 2: CFH Kp: - 7,5 C Probe 3: TOM Kp: - 10,5 C Siedetemperaturen der Reinstoffe Propan: - 42,1 C i-butan: - 11,7 C n-butan: - 0,5 C

44 Temperatur/Zeit-Diagramme Stevenson CFH TOM in 20 ml-spritzen

45 3) Rund ums Flüssiggas 3.2) Verdampfen: Zum Verschieben des Kolbens reicht ein geringer Überdruck 45

46 3) Rund ums Flüssiggas 3.2) Verdampfen: Aus 1 ml Butan(l) entstehen 216 ml Butan(g) Petermann, Friedrich, Oetken; Die Quantifizierung des Horror vacui ; PdN-CiS 60(2), (2011) 46

47 3) Rund ums Flüssiggas 3.2) Verdampfen: Aus 1 ml Butan(l) entstehen 216 ml Butan(g) Teilchenmodell: Volumenzunahme um den Faktor

48 3) Rund ums Flüssiggas 3.2) Verdampfen: Aus 1 ml Butan(l) entstehen 216 ml Butan(g) Teilchenmodell: Vergrößerung des Teilchenabstandes um den Faktor 6 48

49 3) Rund ums Flüssiggas 3.2) Verdampfen: Aus 1 ml Butan(l) entstehen 216 ml Butan(g) Teilchenmodell: Vergrößerung des Teilchenabstandes um den Faktor 6 49

50 3) Rund ums Flüssiggas Messung in einer Apparatur 3.3) Flammen 50

51 3.3) Temperatur des Flüssiggases beim Verbrennen Beispiel CFH - Die Temperatur steigt sehr langsam (0,2 C/Min)

52 3) Rund ums Flüssiggas 3.4) Druck und Siedetemperaturen der Flüssiggase 52

53 3) Rund ums Flüssiggas 3.4) Druckaufbau und Siedetemperaturen der Flüssiggase - Stevenson 53

54 3) Rund ums Flüssiggas 3.4) Druckaufbau und Siedetemperaturen der Flüssiggase - CFH 54

55 3) Rund ums Flüssiggas 3.4) Druckaufbau und Siedetemperaturen der Flüssiggase - TOM 55

56 3) Rund ums Flüssiggas 3.4) Drücke in den Gasdosen Stevenson CFH TOM t = 21 C 1,9-2,2 bar 2,2 bar > 2,5 bar t = 27 C 2,2 2,7 bar 2,5-2,9 bar > 3,5 bar 56

57 3) Rund ums Flüssiggas 3.5) Druckabhängigkeit der Siedetemperatur: Modell des Kühlschranks 57

58 3.5.1 Vorversuche mit Luft - Erzeugen von Unterdruck links: 20 ml-spritze mit Luft; Hahnbank mit fünf 10 ml-spritzen rechts: 60 ml-spritze mit Luft; Hahnbank mit fünf 20 ml-spritzen

59 3.5.1 Vorversuche mit Luft - Erzeugen von Unterdruck 20 ml-spritze mit Luft; Hahnbank mit fünf 10 ml-spritzen p1 = hpa, p2 = hpa, p3 = hpa, p4 = hpa, p5 = hpa; t = 29 C

60 3.5.2 Vorversuche mit Luft - Erzeugen von Überdruck 20 ml-spritze mit Luft; Hahnbank mit fünf 10 ml-spritzen (PF) p1 = +350 hpa, p2 = +690 hpa, p3 = hpa, p hpa, p5 = hpa; t = 29 C

61 3.5.3 Kühlschrank-Experimente mit Flüssiggas Die Änderung des Drucks mit der 60 ml-spritze führt zur Änderung der Temperatur des Flüssiggases in der 20 ml-spritze

62 Beispiel 06 ( ) Die Erniedrigung des Drucks in drei Schritten führt zur Änderung der Temperatur p = bis hpa ergibt t = - 16 bis - 25 C (t0 = - 10 C)

63 Beispiel 09 ( ) Die Erhöhung des Drucks in drei Schritten führt zur Erhöhung der Temperatur p1, p2, p3 = +700, +1200, hpa ergibt t1, t2, t3 = 0, +9, +15 C (t0 = -8 C)

64 Der Mix macht s 4 Halbmikrotechnik 4.1 Titration von Urinstein-Entferner mit Natronlauge Vorteile: Kleinste Mengen reichen aus, Arbeit mit 1 molarer Natronlauge ist möglich, das Säubern der Apparatur ist sehr einfach. 64

65 4) Halbmikrotechnik Die Natronlauge befindet sich in der Heidelberger Verlängerung 65

66 4) Halbmikrotechnik Die Natronlauge befindet sich in der Heidelberger Verlängerung 66

67 Der Mix macht s Am Ende der Vorführung fehlt noch die Hausaufgabe(!) 5 Kinetik-Experimente an Hahn(en)bänken 5.1 Veranschaulichung der Reaktionsordnung 67

68 5) Kinetik-Experimente an Hahn(en)bänken 68

69 Die Reaktionsordnung ist klar?

70 Die Reaktionsordnung ist klar?

71 Die Reaktionsordnung ist jetzt klar?

72 Natürlich: Eine Reaktion erster Ordnung (konstante HWZ)

73 Die Reaktionsordnung ist jetzt klar?

74 Natürlich: Eine Reaktion zweiter Ordnung (Die HWZ verdoppelt sich von Mal zu Mal)

75 Eine andere Anordnung der Spritzen verdeutlicht die Änderung der HWZ

76 Eine noch eine Erweiterung, um die Änderung der HWZ zu verdeutlichen.

77 Auch das ist ein wunderbares Ergebnis (fünf Messwerte)

78 Das gleiche Ergebnis mit neun Messwerten

79 Und hier ist die Hausaufgabe: Die Ergebnisse sind fertig es fehlen nur noch die passenden Experimente!

80 Der Mix macht s Übrigens erfolgreiche Experimentatorinnen haben in der Regel schon frühzeitig Erfahrungen mit Medtech-Zubehör gemacht 80

81 Der Mix macht s Übrigens erfolgreiche Experimentatorinnen haben in der Regel schon frühzeitig Erfahrungen mit Medtech-Zubehör gemacht 81

82 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 82